涂料附著力基本原理分析[技術(shù)類別]

1、涂料附著力基本原理分析涂料附著力基本原理分析 附著力理論和機(jī)理 當(dāng)兩物體被放在一起達(dá)到緊密的界面分子接觸,以至生成新的界面層,就生成了附著 力。附著力是一種復(fù)雜的現(xiàn)象,涉及到“界面”的物理效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。因為通常每一可觀察到的表面都與好幾層物理或化學(xué)吸附的分子有關(guān),真實的界面數(shù)目并不確切知道,問題是在兩表面的何處劃界及附著真正發(fā)生在哪里。 當(dāng)涂料施工于底材上,并在干燥和固化的過程中附著力就生成了。這些力的大小取 決于表面和粘結(jié)料(樹脂、聚合物、基料)的性質(zhì)。廣義上這些力可分為二類:主價力 和次價力(表1)。化學(xué)鍵即為主價力,具有比次價力高得多的附著力,次價力基于以氫鍵為代表的弱得多的物理作用力

2、。這些作用力在具有極性基團(tuán)(如羧基)的底材上更 常見,而在非極性表面如聚乙烯上則較少。 表1: 鍵的強(qiáng)度和鍵能強(qiáng)度鍵的類型能量(千卡/摩爾)實例共價鍵 主價力 15170 絕大多數(shù)有機(jī)物 氫鍵 次價力 12 水 色散力次價力 10 絕大多數(shù)分子 偶極力 次價力 5 極性有機(jī)物 誘導(dǎo)力 次價力 0.5 非極性有機(jī)物 涂料附著的確切機(jī)理人們尚未完全了解。不過,使兩個物體連接到一起的力可能由 于底材和涂料通過涂料擴(kuò)散生成機(jī)械連接、靜電吸引或化學(xué)鍵合。根據(jù)底材表面和 所用涂料的物理化學(xué)性質(zhì)的不同,附著可采取上述機(jī)理的一種或幾種。一些提出的理論討論如下。 1.機(jī)械連接理論 這種涂層作用機(jī)制適用于當(dāng)涂料施

3、工于含有孔、洞、裂隙或空穴的底材上時,涂料能 夠滲透進(jìn)去。在這種情況下,涂料的作用很象木材拼合時的釘子,起機(jī)械錨定作用。 當(dāng)?shù)撞挠邪疾鄄⑻顫M固化的涂料時,由于機(jī)械作用,去掉涂層更加困難,這與把兩塊榫結(jié)的木塊拼在一起類似。對各種表面的儀器分析和繪圖(外形圖)表明,涂料確實可滲 透到復(fù)雜“隧道”形狀的凹槽或裂紋中,在固化硬化時,可提供機(jī)械附著。各種涂料 對老的或已風(fēng)化的涂層的附著,以及對噴砂底材的附著就屬于這種機(jī)理。磷酸鋅或鐵與涂料具有較大的接觸面積,因而能提高附著和耐蝕性。圖2展示了假定的底材表面 形狀和涂料的滲透。 表面的粗糙程度影響涂料和底材的界面面積。因為去除涂層所需的力與幾何面積有關(guān),而

4、使涂層附著于底材上的力與實際的界面接觸面積有關(guān)。隨著表面積增大,去除 涂層的困難增加,這通?？赏ㄟ^機(jī)械打磨方法提供粗糙表面來實現(xiàn)。截面的幾何面積和實際的界面面積的比較見圖3。實際的界面接觸面積一般比幾何面積大好幾倍。通 過噴砂使表面積增加,結(jié)果附著力增加,見圖4。顯然由于其他許多因素的影響,附著 并不按相同比例增加,不過通?？梢姷斤@著的增加。 只有當(dāng)涂料完全滲透到不規(guī)則表面處,提高表面粗糙度才有利,若不能完全滲入,則 涂料與表面的接觸會比相應(yīng)的幾何面積還小,并且在涂料和底材間留有空隙,空隙中 駐留的氣泡會導(dǎo)致水汽的聚積,最終導(dǎo)致附著力的損失。 經(jīng)常通過對已固化的涂層進(jìn)行磨砂處理,可改進(jìn)層間附著

5、力(特別是在汽車涂料中), 特別是在底色漆/清漆體系中,要求清漆平滑、光亮且表面能低,因此第二層清漆的附 著有一定的困難。這一問題當(dāng)涂料在比原定溫度高得多的溫度下固化或烘烤時間延長時變得更為嚴(yán)重,這兩種情況下,對該表面進(jìn)行輕度打磨表明,附著力可顯著提高。 雖然表面粗糙化能提高附著力,但必須注意避免深而尖的形狀,由于粗糙化生成的尖 峰會導(dǎo)致透影(看到底材),在某些情況下并不希望這樣;而且,深而尖的隆起會形成不均一的涂層,從而生成應(yīng)力集中點,附著力降低,從而耐久性下降。 只要涂膜稍具流動性,涂膜收縮,厚度不均勻以及三維尺寸的變化就很少會生成不可 釋放應(yīng)力,但隨著粘度和涂層剛性的增加以及對底材的附著

6、力逐漸形成會生成大量的應(yīng) 力,并殘留于干漆膜中。顯然在固定施工參數(shù)(濕膜和干膜厚度)時,凸起部分的涂層厚度比凹陷處小,導(dǎo)致物理性質(zhì)不同。這種不均一涂層具有很高的內(nèi)部應(yīng)力,在投入 應(yīng)用時,會進(jìn)一步受到修補(bǔ)漆溶劑的侵蝕或老化的影響,偶而會超過涂膜的應(yīng)力承受 能力,導(dǎo)致裂紋、剝落或其他涂膜完整性的降低。 電鍍金屬對聚乙烯和ABS塑料的附著力證明是來源于機(jī)械連接。金屬電鍍工藝包括 首先對塑料表面處理,生成大量的機(jī)械凹陷,有利于機(jī)械連結(jié),然后用氯化亞錫溶液活 化,并在Pd2+溶液中使Pd沉積,不通電沉積鎳,然后電鍍所需金屬,如鉻。只有當(dāng)塑料處理后生成連接凹陷時,電鍍金屬對塑料的附著力才強(qiáng)。不同預(yù)處理金屬

7、不僅改變表面 的化學(xué)組成,而且會生成表面連接點,機(jī)械連結(jié)對這類表面起著即使不是最關(guān)鍵,也是相當(dāng)大的作用。 未處理和磷化處理的冷軋鋼板的表面形態(tài),磷化后表面上可發(fā)現(xiàn)大量的交錯的磷酸鐵微芯片,芯片間的空間提供了大量的物理連接點。 2.化學(xué)鍵理論 在界面間可能形成共價鍵,且在熱固性涂料中更有可能發(fā)生,這一類連結(jié)最強(qiáng)且耐久 性最佳,但這要求相互反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)牢牢結(jié)合在底材和涂料上。因為界面層很薄, 界面上的化學(xué)鍵很難檢測到。然而,如下面所討論的,確實發(fā)生了界面鍵合,從而大大提高了粘結(jié)強(qiáng)度。有些表面,如已涂過的表面、木材、復(fù)合物和有些塑料,會有各種各樣的化學(xué)官能團(tuán),在合適的條件下,可和涂層材料形成化學(xué)鍵

8、。 有機(jī)矽烷廣泛用于玻璃纖維的底漆以提高樹脂和纖維增強(qiáng)塑料中玻璃的附著力,也可用作底漆或一體化混合物以促進(jìn)樹脂對礦石、金屬和塑料的附著力。實質(zhì)上,應(yīng)用時 生成了矽醇基,可與玻璃表面的矽醇基,或者也可能與其他金屬氧化物形成強(qiáng)的醚鍵 。這類化學(xué)鍵合可發(fā)生在玻璃、陶瓷及一些金屬底材表面的金屬氫氧化物和含矽烷涂料間。 含反應(yīng)性基團(tuán)如羥基和羧基的涂料傾向于和含有類似基團(tuán)的底材更牢固地附著、這種機(jī)理的一個例子是三聚氰胺固化丙烯酸面漆對三聚氰胺固化聚酯底漆的優(yōu)異附著 力,一種可能的解釋是已固化底漆的剩余羥基會與面漆的三聚氰胺固化劑反應(yīng),實際上把底漆和面漆拉在了一起。當(dāng)該涂料過烘烤(烘烤時間過長和/或固化溫度

9、過高)時, 面漆的附著力顯著減弱,有時甚至無附著力。剩余羥基會對附著力有貢獻(xiàn)可從IR譜圖得到證實:標(biāo)準(zhǔn)烘烤的底漆富含羥基,而過烘烤底漆即使有也只有很少的羥基。 當(dāng)?shù)撞暮蟹磻?yīng)性羥基時,在適當(dāng)?shù)臈l件下也會和熱固性聚氨酯涂料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 化學(xué)鍵合也完全可適用于解釋環(huán)氧樹脂涂料對纖維素底材的優(yōu)異附著力。顯然,正 如紅外光譜所證實的,界面上環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基和纖維素的羥基發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致纖 維素上羥基伸縮振動峰3350cm-1和C-O的伸縮振動峰11001500cm-1的消失,同時環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基915cm-1峰和氧橋?qū)ΨQ伸縮振動峰1160cm-1消失。 有些聚合物對已交聯(lián)的聚合物表面附著較弱,出現(xiàn)界面

10、性的缺損。有報導(dǎo)稱加入少量的某 些含氮基團(tuán)能大大提高附著力。例如氨基聚合物對交聯(lián)醇酸樹脂具有很強(qiáng)的附著力, 因為界面上兩相間發(fā)生氨-酯交換反應(yīng),形成酰胺鍵。 R1NH2+RCOOR2RCONH-R1 以丁胺作氨基聚合物的模型化合物可以很容易發(fā)現(xiàn)氨-酯交換反應(yīng)。當(dāng)胺加入未固 化醇酸樹脂的甲苯溶液中,兩者在室溫下很易反應(yīng)形成二丁基苯二酰胺,并會結(jié)晶而析出 。 FTIR光譜法檢測氨基樹脂和未固化醇酸樹脂的混合物發(fā)現(xiàn),混合物烘烤后胺基吸收峰下 降,同時出現(xiàn)酰胺吸收峰,表明在界面上確實發(fā)生了氨-酯交換反應(yīng)。 3.靜電理論 可以想像以帶電雙電層形式存在的靜電作用力形成于涂層-表面的界面上,涂層和表 面均帶

11、有殘余電荷,散布于體系中,這些電荷的相互作用能提高一些附著力。靜電力 主要是色散力和來源于永久偶極子的相互作用力。含有永久偶極子物質(zhì)的分子間的吸引力由一個分子的正電區(qū)和另一分子的負(fù)電區(qū)的相互作用引起。 涂料潤濕固體表面的程度通過接觸角測定誘導(dǎo)偶極子間的吸引力,稱為倫敦力或色散力是范德華力的一種,也對附著力有所貢獻(xiàn),對某些底材/涂 料體系,這些力提供了涂料和底材間的大部分吸引力。應(yīng)該注意到這些相互作用只是短程相互作用,與涂料/底材間距離的六次方或七次方成反比。因為當(dāng)距離超過0.5納米(5埃)時,這些力的作用明顯下降,所以涂層和底材的密切接觸是必要的。 4.擴(kuò)散理論 當(dāng)涂料和底材(聚合物)這兩相通

12、過潤濕達(dá)到分子接觸時,根據(jù)材料的性質(zhì)和固化條 件的不同,大分子上的某些片段會向界面另一邊進(jìn)行不同程度的擴(kuò)散。這種現(xiàn)象需經(jīng)兩步完成,即潤濕之后鏈段穿過界面相互擴(kuò)散形成交錯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 因為長鏈性質(zhì)不同和擴(kuò)散系數(shù)較低,非相似聚合物通常不兼容,因此,完整的大分子穿 過界面擴(kuò)散是不可能的。然而,理論和實驗資料表明,局部鏈段擴(kuò)散很容易發(fā)生,并在 聚合物間形成101000埃的擴(kuò)散界面層。涂料的擴(kuò)散也從接觸時間、固化溫度和分子結(jié)構(gòu)(分子量、分子鏈柔性、側(cè)鏈基團(tuán)、極性、雙鍵和物理兼容性)的影響間接得 到證實。直接的證據(jù)則包括擴(kuò)散系數(shù)的測定、電鏡對界面結(jié)構(gòu)的觀察、輻射熱致發(fā)光 技術(shù)和光學(xué)顯微鏡。顯然,這種擴(kuò)散最易

13、發(fā)生在諸如工程塑料的聚合物底材上,因為分子間自由體積較大,且與金屬相比分子間距離大得多。 附著形成機(jī)理 當(dāng)不相似的兩種材料達(dá)到“緊密”接觸時,在空氣中的兩個自由表面消失,形成新的 界面。界面相互作用的性質(zhì)決定了涂料和底材之間成鍵的強(qiáng)度,這種相互作用的程度 基本由一相被另一相的潤濕性決定,使用液體涂料時,液相的流動性也有很大幫助,因此潤濕可被看作涂料和底材的密切接觸。為了保持涂層與底材的附著力，除了保證初步的潤濕外,在涂膜形成后的完全潤濕和固 化后仍保持鍵合情況不變是很重要的。 涂料以下面的方式固化成膜: (a)冷卻到熔融溫度(玻璃化溫度,Tg)以下,或 (b)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng),或 (c)溶劑和稀釋

14、劑的揮發(fā) (a)類涂料的例子如熱塑性粉末涂料或用于金屬或聚合物上的熱熔擠壓聚合物膜。 (b) 類涂料包括單或雙組份可交聯(lián)環(huán)氧、聚氨酯或三聚氰胺固化丙烯酸體系。 (c)類涂料 如印刷油墨和清漆,該類型涂料中顏料的粘結(jié)料在干燥時也有交聯(lián)能力。因此涂料對底 材的潤濕是形成附著鍵的關(guān)鍵。 1.潤濕性和表面能 考查附著力時潤濕性是必須的標(biāo)準(zhǔn)。前所討論的附著機(jī)理只有當(dāng)?shù)撞暮屯苛线_(dá)到有效潤濕時才起作用。表面的潤濕可從熱力學(xué)角度描述,涂料在液態(tài)時的表面張力以及 底材和固態(tài)涂膜的表面能是影響界面連接強(qiáng)度和附著力形成的重要參數(shù)。 均相的固體或液體表面的分子或原子的周圍環(huán)境與內(nèi)部不同。在內(nèi)部分子被相同的分子所包圍,

15、分子間的距離由把分子拉到一起的吸引力和阻止分子占據(jù)同一位置的排 斥力的平衡決定;而界面上的分子各個方向受力不均勻,它們和表面以上的空氣相互作用,同時受表面以下分子的吸引。表面下的分子傾向于將表面分子向內(nèi)拉,使表面 分子數(shù)最小,因而表面積也最小,這種吸引提高了液體的表面張力,并可解釋液體以液 滴形式存在,好象被一層彈性表皮覆蓋。而且表面分子間的距離比體相大,因而能量更高。把分子從內(nèi)部移到表面需要做功,液體增加單位表面積導(dǎo)致的Helmholtz自由 能的增加值定義為表面張力。 2.界面熱力學(xué) 液體涂料對固態(tài)表面的潤濕程度通過接觸角()來測定,如圖13。當(dāng)=0,液體在表 面自由鋪展,稱為完全潤濕。當(dāng)

16、液相和固相分子的分子吸引大于類似的液體分子時, 發(fā)生完全潤濕。 3.接觸角和臨界表面張力 測定固體表面張力廣泛采用的辦法是測量接觸角。通過測定接觸角來計算表面自由能的辦法多有爭議,該問題至今仍未解決,因為固體的表面自由能不能直接測定。然 而本專題的用意并非討論這些觀點,作者旨在通過列舉有爭議的觀點,為操作者提供可靠的指導(dǎo),使讀者在估計表面熱力學(xué)參數(shù)時前進(jìn)一步。 近似的表觀接觸角可通過檢測設(shè)備供應(yīng)商提供的各種接觸角儀測定。該法中滴一滴各種不同的液體在待測的表面上,并測定接觸角。表面性質(zhì)測定的一種方法是臨界表 面張力c,該法系通過測定一系列液體在表面上的接觸角,以接觸角的余弦對各種液體的表面張力作

17、圖,并外推至Cos=1(=0)。外推表面張力稱為表面的臨界表面張 力。例如根據(jù)上述程序,聚乙烯的臨界表面張力為31達(dá)因/厘米。當(dāng)一液滴滴于該表 面上時,所有表面張力小于或等于該臨界表面張力的液體會自發(fā)鋪展。因此,環(huán)氧樹脂的表面張力為47達(dá)因/厘米,不會潤濕聚乙烯表面,而另一方面矽油脫膜劑可在表面 上鋪展,其表面張力為24達(dá)因/厘米。 溶劑 表面張力(達(dá)厘/厘米) 水 72.7 乙二醇 48.4 丙二醇 36.0 鄰二甲苯30.0 甲苯 28.4 醋酸丁酯 25.2 正丁醇 24.6 石油溶劑油24.0 甲基異丁酮 23.6 甲醇 23.6 腦石油 22.0 正辛烷 21.8 脂肪烴石腦油 19

18、.9 正己烷 18.4 涂料中典型聚合物和助劑的表面張力： 聚合物/表面張力(達(dá)因/厘米) 三聚氰胺樹脂 57.6 聚乙烯醇縮丁醛 53.6 苯代三聚氰胺樹脂 52 聚乙二酸己二酰胺 46.5 Epon 828 46 脲醛樹脂 45 聚酯三聚氰胺涂膜 44.9 聚環(huán)氧乙烷二醇,Mw6000 42.9 聚苯乙烯 42.6 聚氯乙烯 41.9 聚甲基丙烯酸甲酯 41 65%豆油醇酸 38 聚醋酸乙烯酯 36.5 聚甲基丙烯酸丁酯 34.6 聚丙烯酸正丁酯 33.7 Modaflow 32 聚四氟乙烯 Mw 1,088 21.5 聚二甲基矽氧烷 Mw 1,200 19.8 聚二甲基矽氧烷 Mw162 15.7 一個頗具戲劇性的例子是環(huán)氧樹脂和聚乙烯的試驗,當(dāng)未固化環(huán)氧傾倒于聚乙烯上并 固化時,附著力即使有也很低,而將聚乙烯熔融并涂于已固化環(huán)